CN101981734A - 电化学电池及其相关膜 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方案涉及包括交替的导电和介电区域的电化学电池和膜。一个实施方案描述了一种用于电化学电池的离子传导复合层，包括：两个或多个导电元件，每一导电元件具有一个或多个导电通道；以及一个或多个介电元件，每一介电元件具有一个或多个离子传导通道。所述导电元件和介电元件被相邻布置，以提供流体非渗透性的复合层。

Description

电化学电池及其相关膜
背景
电化学电池——诸如燃料电池——包括用于传输带电物质的路径。由电化学反应产生的离子被传输穿过燃料电池的离子交换膜，诸如质子交换膜，并且电子在相邻的燃料电池之间传输。具体而言，用于质子传导的路径可以被集成在燃料电池中，而用于电子传导的路径在相邻的燃料电池之间产生，从而由燃料电池装置的整体正负电连接提供一个电路。双极燃料电池被布置为在离子流穿过膜的相反方向提供电流流动。可替代地，在发生离子流穿过膜时，边缘堆积型燃料电池(edge-collected fuel cell)提供平行于膜的电流流动。
具有电化学电池的系统可以用于向便携式或大型的应用设备供电。具有能节省空间的结构的电化学电池可以用于减小电源相对于整个系统的占地面积。已有用于这些应用设备的电池，但现有电池结构在应力下具有安全隐患，且具有沉积在刚性电解质(诸如固体氧化物陶瓷电解质)上的薄膜结构的燃料电池显示出有限的结构灵活性。虽然具有固体聚合物电解质的薄膜燃料电池提供了更大的灵活性，但这样的结构通常依赖于附加结构元件以提供鲁棒性。但是，衬底和结构构件占用体积，却不产生用于功率输出的能量。
附图说明
在附图(其并不一定按比例绘制)中，类似数字描述了各视图的基本类似的元件。具有不同的字母后缀的类似数字代表了基本类似的元件的不同示例。附图以实施例的方式而非限制的方式大体示出了本文件中讨论的各种实施方案。
图1示出了根据某些实施方案的离子传导复合层的截面图。
图2示出了根据某些实施方案的离子传导复合层的立体图。
图3示出了根据某些实施方案的复合层的俯视图。
图4示出了根据某些实施方案的复合层的俯视图。
图5示出了根据某些实施方案的复合层的俯视图。
图6示出了根据某些实施方案的电化学电池层的截面图。
图7示出了根据某些实施方案的包括气体扩散层的电化学电池层的截面图。
图8示出了根据某些实施方案的包括柔性增压室(plenum)的电化学电池层的截面图。
图9A-D示出了根据某些实施方案的制造复合层的制造步骤的截面图。
发明内容
本发明的实施方案涉及一种用于电化学电池的离子传导复合层。所述层包括：两个或多个导电元件，每一导电元件具有一个或多个导电通道；以及一个或多个介电元件，每一介电元件具有一个或多个离子传导通道。所述导电元件和介电元件被相邻布置，以提供流体非渗透性的复合层。
一些实施方案也涉及一种电化学电池阵列，包括具有第一表面和第二表面的复合层。所述复合层包括：两个或更多导电元件，每一导电元件具有一个或多个导电通道；以及一个或多个介电元件，每一介电元件具有一个或多个离子传导通道。所述导电元件以及介电元件是相邻布置的。所述阵列也包括与该复合层的第一侧接触的一个或多个第一涂层，以及与该复合层的第二侧接触的一个或多个第二涂层。每一第一涂层与第一介电元件的至少一个离子传导通道相接触，并与第一导电元件的至少一个导电通道电接触。每一第二涂层与第二介电元件的至少一个离子传导通道相接触，并与第一导电元件的至少一个导电通道电接触，从而足以在该阵列中的相邻的电化学电池之间提供从该复合层的第一侧至该复合层的第二侧的导电路径。
本发明的一些实施方案涉及一种电化学电池阵列。所述阵列包括具有第一侧和第二侧的复合层。所述复合层包括：多个介电元件，每一介电元件具有至少一个离子传导通道；以及至少一个导电元件，每一元件具有至少一个导电通道。所述导电元件被布置为与一个或多个所述介电元件相邻。所述阵列也包括至少两个电化学电池，其被放置为沿所述复合层形成阵列。每一电化学电池包括一个布置在第一和第二表面之间的介电元件，布置在这个介电元件的第一表面上的阳极层以及布置在这个介电元件的第二表面上的阴极层。这个介电元件的离子传导通道离子性地连接所述阳极层和阴极层，并且该阵列中的成对相邻的电化学电池被联接至公共导电元件。
一些实施方案也涉及一种电化学系统，其包括电化学电池阵列和一个或多个流体增压室。所述一个或多个流体增压室至少部分被该电化学电池阵列限定。
一些实施方案也涉及一种形成电化学层的方法，包括：形成至少一个导电元件，以及将至少一个界面区域粘接至每一导电元件的表面。所述方法也包括：通过浇铸邻近对应界面区域且与该界面区域相接触的离聚物分散体形成至少一个介电元件，将所述离聚物分散体凝固至足以形成流体非渗透性的复合层，并在所述复合层的第一表面上布置至少一个涂层。所述涂层与一个介电元件、相邻的导电元件、以及界面区域相接触。
具体实施方式
下文的详细描述参照了附图，附图构成了该详细描述的一部分。所述附图以阐释方式示出了可以实现本发明的具体实施方案。这些实施方案——这里也称为“实施例”——被足够详细地描述，以使得本领域普通技术人员能够实施本发明。在不背离本发明的范围的情况下，可将所述实施方案组合，也可以使用其他的实施方案，或者也可以进行结构和逻辑的改变。因此，下文的详细描述不应被理解为具有限制意义，并且本发明的范围是由所附权利要求及其等价物限定的。
在本文件中，术语“一”或“一个”被用于包括一个或多个数目，以及术语“或”用于表示非穷尽性的“或”，除非另有说明。此外，应理解的是，这里使用的措词或术语除非另有限定，仅用于描述目的而非限制性目的。此外，本文件中提到的所有的出版物、专利以及专利文件都以引证方式整体纳入本说明书，一如以引证方式被分别纳入本说明书。在本文件和以引证方式纳入的文件之间的用法不一致时，所纳入的文件中的用法应视为对本文件的补充；在不一致内容相矛盾时，以本文件中的用法为准。
本发明的实施方案涉及电化学电池，诸如燃料电池、电解槽、以及蓄电池，并也可以在其他类型的电化学电池中应用，诸如用于氯碱处理的电池。本发明的一些实施方案提供了包括各个单独的电池的阵列或“单元”电池的阵列的电化学电池层。例如，所述阵列可以是基本平面的或圆柱状的。
根据本发明，可以使用任意合适的燃料电池类型和合适的材料。电解质可以包括例如质子交换膜。本发明的某些实施方案允许构造这样的电化学电池层：其包括在电解质上形成的多个单独的单元电池。
通过提供包括多个离子传导区域的衬底，可以构建包括多个单元电池的电化学电池层。这种衬底例如可以通过以下方式提供：选择性地处理一片非导电性或部分导电性材料以形成离子传导区域，或选择性地处理一片离子传导材料以形成非导电区域，例如在2005年2月2日递交的标题为“膜以及包含这种膜的电化学电池(MEMBRANES ANDELECTROCHEMICAL CELLS INCORPORATING SUCH MEMBRANES)”、美国公开号为2005/0249994的共同所有的申请中所描述的，该申请的公开内容以引证方式被纳入本说明书。根据本发明，单元电池可以用于可顺应其他几何形状的平面电化学电池层，诸如标题为“由具有可顺应性的燃料电池供电的设备(DEVICES POWERED BY CONFORMABLE FUEL CELLS)”的第7,474,075号共同所有的美国专利，以及在2008年9月25日递交的标题为“包括可节省空间的流体增压室的燃料电池系统以及相关方法(FUEL CELL SYSTEMS INCLUDING SPACE-SAVING FLUID PLENUM ANDRELATED METHODS)”、序列号为12/238,241的共同所有的美国申请所描述的，所述申请以引证方式被纳入本说明书。
单元电池阵列可以被构建为提供产生各种功率的电化学电池层，其中整个电化学结构都包括在该层中。这意味着诸如电流收集板等的额外元件可以被省略，或以提供不同功能的其他结构替代。诸如这里描述的结构非常适于以连续过程加以制造。这种结构可以以如下方式设计，即不需要对各单独部件的机械装配。在一些实施方案中，这一结构中的导电路径的长度可以被保持为十分短，由此可以使得在催化剂层中的欧姆损失最小化。
阵列可以指代多个单独的单元电池。所述多个电池可以被形成在一片离子交换膜材料——衬底——之上，或可以通过以特定方式装配多个元件而形成。多个阵列可以被形成为任意适合的几何形状。在以下专利申请中描述了燃料电池的平面阵列的一些实施例：2005年2月2日递交的标题为“在电化学反应层下有载流结构的电化学电池(ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT CARRYING STRUCTURESUNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS)”，公开号为2005/0250004的共同所有的美国专利申请，如上所述。阵列中的燃料电池也可以沿着其他的平坦表面，诸如圆柱形燃料电池中的管状。可替代地和附加地，所述阵列可以包括能够顺应于其他几何形状的柔性材料。
本发明的实施方案涉及不依靠非电化学活性的结构元件即能提供结构柔性的电化学电池。本发明提供了离子传导膜，其具有活性功能构件，该活性功能构件适于向电化学电池提供鲁棒性以及改进的形状因子柔性。这一功能允许了各种电学元件和结构元件(诸如电路板)的柔性联接。本发明的实施方案涉及便携式电子应用设备，以及大型动力应用设备，诸如车、船以及叉式升降机。
定义
如这里所使用的，“电化学电池”指代将化学能转换为电能或将电能转化为化学能的装置。电化学电池的例子可以包括原电池、电解电池、电解器、燃料电池、蓄电池以及金属-空气电池，诸如锌-空气燃料电池或蓄电池。根据本发明，可以使用任意合适的包括燃料电池和适当的材料的电化学电池类型。
如这里所使用的，“柔性2D电化学电池阵列”指代在一个维度上很薄并支撑多个电化学电池的柔性薄片。所述燃料电池具有一类活性区域(例如，阴极)，其可以从该薄片的一面实现，以及另一类活性区域(例如，阳极)，其可以从该薄片的相反面实现。所述活性区域可以被布置为位于它们所对应的薄片的面的区域内(例如，并不强制整个薄片被活性区域覆盖，但是，燃料电池的性能可以通过增加其活性区域得到增加)。有各种结构可以用于制造柔性2D电化学电池阵列。柔性2D电化学电池阵列的实施例可以在标题为“包括不连续区域的电化学电池组件(AELECTROCHEMICAL CELL ASSMBLIES INCLUDING A REGION OFDISCONTINUITY)”、序列号为12/341,294号的共同所有的美国专利申请中，以及如上所述的标题为“包括可节省空间的流体增压式的燃料电池系统以及相关方法(FUEL CELL SYSTEMS INCLUDING SPACE-SAVING FLUIDPLENUM AND RELATED METHODS)”、序列号为12/238,241的共同所有的专利申请中找到，所述公开内容以引证方式被纳入本说明书。
如这里所使用的，“柔性电化学层”指代全部或部分柔性的电化学层，因此也包括，例如，具有集成有一个或多个柔性元件的一个或多个刚性元件的电化学层。适合于本发明使用的柔性层和电化学层的实例可以在标题为“具有外部支撑的柔性燃料电池结构(FLEXIBLE FUEL CELLSTRUCTURES HAVING EXTERNAL SUPPORT)”、公开号为2006/0127734，由McLean等共同所有的美国专利申请中找到，所述公开内容其整体以引证方式被纳入本说明书。
如这里所使用的，“电化学电池阵列”指代被配置形成一个阵列的一个或多个电化学电池，该阵列包括以任意适合的方式二维地布置在被所述阵列覆盖的区域上的各个单独的电化学电池。例如，各个单独的电化学电池的活性区域可以被布置，以提供多列基本平行的条带，或者提供被分布在二维网格结构的节点上的形状，所述网格可以是例如长方形、正方形、三角形或六边形网格，且并不必须是完全规则的。例如，也可以被提供被分布在阵列覆盖的区域的宽度和长度维度内的一些形状的图样，例如使得该图样可以较网格类图样更不规则。薄层电化学电池——诸如燃料电池——可以被布置为由很薄的层构成的阵列。在这种阵列中，单独的单元燃料电池可以通过串联或串并联的布置被电联接。这一布置中的电联接燃料电池可以允许电能从燃料电池阵列以较高的电压以及较小的电流被输送。这进而可以允许使用具有更小的截面面积的导体来收集电流。
如这里使用的，“气体扩散层”和“气体可渗透层或材料”可以指代一个或多个多孔导电或介电构件。例如，气体扩散层可以被布置在涂层上，或集成在涂层中。气体扩散层也可以允许气体通过气体扩散层移动至催化剂层。适合的气体扩散层可以使用例如碳黑粉末、碳布材料以及碳纤维纸材料制造。气体扩散层也可以是非碳材料，或可以是具有不同特性的多个材料层的复合体。所述气体扩散层也可以包括燃料电池壳，诸如在2008年9月25日递交的标题为“燃料电池壳(FUEL CELLCOVER)”、序列号为12/238,040的共同所有的美国专利申请，以及2009年1月16日递交的标题为“用于电化学电池的壳以及相关方法(COVERSFOR ELECTROCHEMICAL CELLS AND RELATED METHODS)”、序列号为12/355,564的共同所有的美国专利申请中被详细描述，所述公开内容以引证方式被纳入本说明书。
如这里所使用的，“柔性”指向可以变形、弯曲、屈曲或折叠的层或元件。电化学电池层、阵列、复合层、元件或涂层可以是在一个或多个方向上部分或基本柔性的。
如这里所使用的，“介电材料”或“离子传导材料”指代显示出可忽略的导电性的物质。介电材料可以被理解为包括离子传导材料、非离子传导材料，及其结合。离子传导材料的实例包括适于所述应用的任意离聚物(ionomer)或电解质，诸如离子交换聚合物、碱性溶液以及磷酸。非离子传导材料的实例包括聚合物，诸如聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氨酯、聚酯，含氟聚合物以及其他聚合物薄膜。聚酰亚胺的实例包括KaptonTM薄膜。含氟聚合物的实例是PTFE(聚四氟乙烯)或TeflonTM薄膜。其他含氟聚合物包括PFSA(全氟磺酸)、FEP(氟化乙烯丙烯)、PEEK(聚醚醚酮)以及PFA(全氟烷氧基乙烯(perfluoroalkoxyethylene))。介电材料可以包括热固性聚合物，诸如环氧树脂、酚类、聚氨酯以及硅树脂。介电材料也可以包括增强复合材料——诸如玻璃纤维，任意适合的非聚合材料——诸如硅或玻璃，及其结合。介电材料可以包括例如电解质。所述电解质可以是固体电解质膜。
如这里所使用的，“复合层”指代包括至少两个具有厚度的表面的层，其中在所述表面之间限定了一个或多个离子传导通道，以及其中在所述表面之间限定了一个或多个导电通道。通过将离子传导通道和导电通道限定为各种尺寸、形状、密度和/或布置，复合层的离子传导特性和导电特性可以在复合层上的不同区域内变化。这里描述的复合层能够提供期望的导电性、离子传导性、气体渗透性以及机械强度特性，这些特性可以根据设计者的考虑在复合层的空间范围内变化。这提供了更大的设计灵活性以及允许了机械和电学参数的局部转变，以最佳地适应燃料电池或类似系统中的离子传导性以及机械强度之间的竞争需要。作为示例，复合层可以包括一个或多个导电元件，诸如电池互连部，用于提供期望的导电性；离子传导元件，诸如电解质，用于提供期望的离子传导性；以及其他非离子传导介电元件(如下所述)，其用于降低气体渗透性和/或增加机械强度。
如这里使用的，“介电元件”指代包括至少一个或多个离子传导通道的所述复合层的元件。所述介电元件还可以包括一种或多种介电材料。所述复合膜的介电元件可以包括离子传导材料、离子传导通道、介电保护层、介电表层(skin)、介电支撑结构或它们的某些结合。所述介电元件可以包括例如质子交换膜元件，以及可以是一片离子传导材料，或例如可以通过凝固离聚物分散体而形成。介电元件可以包括基于含氟聚合物的离子传导材料或分散体，诸如全氟磺酸(PFSA)或以酸(H+)形式存在的全氟磺酸/PTFE(聚四氟乙烯)共聚物，或者可以包括基于烃基的离子传导材料或分散体。所述介电元件还可以包括弹性化剂(elasticizing agent)、交联剂、光引发剂、热固引发剂或其结合。所述弹性化剂可以是丙烯腈。所述光引发剂可以包括苯基缩酮、苯乙酮、呫吨酮(zanthones)或其结合。
如这里所使用的，“导电元件”指代复合层的一个导电区域或元件。所述导电元件可以是复合层表面的区域，也可以包括布置在复合层之上或集成入复合层之内的部分。导电元件可以例如形成“电池互连部”，即导电元件在相邻电池之间提供电连接，并使得能够从电化学层上提取电能。导电元件还可以与电化学电池的“导电区域”电接触。所述导电区域可以包括在涂层(诸如催化剂层)、导电气体扩散层、其他适合导电构件、或其某些结合之下的电池互连部的裸露表面。导电元件和导电区域可以由贵金属或涂覆有抗蚀涂层的金属(诸如，来自美国特拉华州威尔明顿市(Wilmington，DE)INEOSAmericas Inc.公司的PEMCoatTM)，或由导电非金属制造，诸如金属、泡沫金属、含碳材料、碳纤复合材料、导电陶瓷、导电聚合物或其结合。此外，部分导电区域也可以是离子传导的。
如这里所使用的，“非连续区域”或“隔离间隙(insular break)”可以指代在导电区域之间提供电隔离的复合层表面上的区域。
如这里所使用的，“涂层”指代布置在复合层的表面的导电薄层。例如，所述涂层可以是催化剂层或电极，诸如阳极或阴极。
如这里所使用的，“催化剂”指代在反应开始或为提高反应率而起辅助作用的，自身不被改变或消耗的材料或衬底。催化剂层可以包括可方便获取的适于本应用的任意类型的电催化剂。催化剂或催化剂层可以包括纯铂、碳支撑铂、铂黑、铂钌合金、钯、铜、氧化锡、镍、金、碳黑混合物，以及一种或多种粘合剂。所述粘合剂可以包括离聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚酰胺、含氟聚合物以及其他聚合材料，或者薄膜、粉末或分散体。聚酰亚胺的实例包括KaptonTM。含氟聚合物的实例是PTFE(聚四氟乙烯)或TeflonTM。其他含氟聚合物包括PFSA(全氟磺酸)、FEP(氟化乙烯丙烯)、PEEK(聚醚醚酮)以及PFA(全氟烷氧基乙烯)。所述粘合剂也可以包括PVDF(聚偏氟乙烯)粉末(例如，KynarTM)以及氧化硅粉末。所述粘合剂可以包括聚合物或离聚物的任意结合。所述碳黑可以包括任意适合的精细区分的碳材料，诸如乙炔碳黑、碳素颗粒、碳素鳞片、碳素纤维、碳素针、碳纳米管，以及碳纳米颗粒中的一种或多种。
如这里所使用的，“集流区域”或“集流器”指代与复合层的导电元件接触的涂层、层或催化剂层的区域。
如这里所使用的，“电池互连部”指代使两个或多个燃料电池单元的电极电连通的导电构件。所述电池互连部可以包括复合层的任意一个导电通道和/或用于将阵列与外部电路连通的终端集流器。
如这里所使用的，“电极区域”或“电极”指代在电化学反应中充当阳极、阴极或该二者的材料或元件。所述电极区域或电极可以是导电元件的一部分或复合层、涂层，或该二者。电极可以包括催化剂层、气体可渗透材料，或该二者。
参照图1，示出了根据一些实施方案的离子传导复合层或膜的截面图100。复合层102可以包括导电元件和介电元件。导电元件110可以包括用于电化学组件的电池互连部。导电元件110可以包括延伸穿过复合层102的导电通道。例如，导电元件110可以包括电化学阵列的电池互连部或终端集流器，或该二者。介电元件108可以包括一个或多个延伸穿过复合层102的离子传导通道。例如，介电元件108可以包括离子传导材料，诸如电解质材料。元件108、110可以是相邻布置的。复合层102的表面可以适于其所预期的应用。例如，在该层形成了燃料电池的一部分的实施方案中，该层可以很大以用于需要大功率的应用设备，或可以很小以用于不需要太多功率的应用设备(例如，便携式电子装置)。例如，该层的表面可以超过数平方米，或可以小于或等于约200平方厘米、约100平方厘米、约50平方厘米或约25平方厘米。关于所述层的尺寸、形状和应用的更多实例可以在如上所述的标题为“由具有可顺应性燃料电池供电的设备(DEVICES POWERED BY CONFORMABLE FUELCELLS)”的第7,474,075号共同所有的美国专利中找到。
复合层102也可以包括涂层104、106，该涂层可以沿复合层的表面一部分、或横跨整个表面而布置。涂层104、106可以是非连续的。此外，离子传导复合层可以包括围绕复合层102的周缘112。该周缘112的功能可以是密封复合层的第一表面上的反应物以及可以具有导电性和/或介电性。在一个实施例中，该周缘112可以包括一个或多个终端集流器。同样，例如，电池互连部——诸如终端集流器——可以提供导电性以及密封性。
复合层102可以包括第一表面和第二表面，所述第二表面与第一表面相对。复合层的导电元件110可以包括从复合层的第一侧延伸至复合层的第二侧的导电通道。所述一个或多个导电通道以及一个或多个离子传导通道基本延伸穿过复合层的一个或多个维度。所述维度可以包括高度、宽度或长度中的一个或几个。导电通道包括导电材料。复合层102的介电元件108可以包括从复合层102的第一侧延伸至复合层102的第二侧的离子传导通道。离子传导通道包括如下离子传导材料：其具有比导电部分大的离子传导性。在一些实施方案中，离子传导材料是离聚物材料。可选择的涂层104、106也可以包括离子传导材料。复合层的厚度可以例如小于约5毫米、小于约2毫米、小于约500微米、小于约200微米或小于约50微米。
所述复合层102可以基本是非渗透性的，诸如流体非渗透的。复合层102在压力差等于或小于约5psi时，或等于或小于约15psi时，或等于或小于约30psi时，是基本流体非渗透的。复合层102的渗透性对于氢气可以是等于或小于约0.08克/小时，等于或小于约0.016克/小时，或等于或小于约0.0032克/小时。
复合层102可以是柔性电化学电池层。例如，元件108、110可以各自单独具有柔性，或一起具有柔性。例如，所述两个或更多的导电元件110可以具有柔性；或者导电元件110基本为刚性，而介电元件108可以具有柔性；或者导电元件110和介电元件110都在一个或多个维度上具有柔性。介电元件108和/或导电元件110可以包括填充材料，以降低复合层上的流体传输。填充材料可以用于在介电元件和导电元件之间形成界面区域，以促进或加强所述层的密封。例如，环氧树脂填充物可以被布置在导电材料中。填充物的实例包括密封剂、硅材料、环氧树脂、粘接(adhesive)材料、粘合(binder)材料、填充材料、聚合物或其结合。此外，复合层102的离子传导元件108和导电元件108可以在介电元件108和导电元件110之间的界面上相互作用，以提供气密封接。
介电元件108的离子传导材料可以化学、物理或机械地与导电材料接合。所述接合可以是化学和物理手段相结合。被包括在所述介电和导电部分中的材料可以展示出促进接合的性质。在元件108和110之间的界面处获得满意的接合可能是很有挑战性的。所述接合可能需要满足各种关于强度、渗透性、柔性、抗蚀性等的机械和化学的要求。此外，所述接合可能需要是可靠和耐久的。但是，在介电材料和导电材料之间(例如，在离聚物材料和碳材料之间)获得适合的接合是很困难的。在这一方面，使用界面区域以促进在介电元件108和导电元件110之间的接合可能是有益的。
导电元件110还可以包括附加的材料，以增加拉伸强度、耐久性或韧性，降低导电元件110的孔隙率、或改变导电元件110的一个或多个特性。涂层104、106和复合层102之间的接合也可以增加复合层的拉伸强度。导电元件110可以包括从复合层102的第一表面向复合层102的第二表面延伸的碳素纤维。所述元件110可以包括平行于复合层102的表面延伸的碳素纤维。所述元件110可以包括例如金属、泡沫金属、含碳材料、石墨复合物、导电环氧树脂、导电聚合物(例如，聚苯胺)、导电陶瓷、拉挤(pultruded)复合物、碳素纤维、膨胀石墨、碳织布(woven carbon cloth)、石墨、玻璃碳、碳、环氧树脂、石墨填充环氧树脂、石墨填充聚合物、或其结合。元件110例如可以包括含有碳和环氧树脂的复合结构，诸如环氧树脂浸渍的碳织布。
复合层102的介电元件108还可以包括微结构。“微结构”是能够通过具有5倍或更大的放大功能的显微镜显示的结构。所述微结构可以是导电性的或介电性的，并可以在介电元件108和导电元件110之间提供更高质量的表面区域界面。微结构可以包括聚合物基体。聚合物基体的实例包括聚苯并咪唑以及碳化硅。所述复合层102可以包括离子传导通道以及导电通道，其中之一或二者都由整体的一片材料——诸如前体——形成。例如，复合层102可以包括形成在树脂前体上的离子传导通道。在一个实施方案中，所述通道各自具有等于复合层102的厚度(L芯)(Lcore)的路径长度。换言之，通道的曲折因子可能为1，其中该曲折因子等于一个颗粒穿过复合层102必须经过的距离除以任意衬底的厚度(L芯)。
导电元件110可以形成围绕复合层的表面上的一个区域的周缘的封闭路径或基本封闭的路径。在基本封闭的路径的情况下，导电元件可以基本围绕介电元件，但可以是非连续的而不是连续的。所述元件110可以形成圆形、椭圆形、矩形、六边形或多边形结构的轨迹。元件110可以以规则的阵列布置。介电元件108和导电元件110可以被同心布置。元件108、110可以被布置为条带状，诸如交替条带。每一条带的宽度例如可以小于约2毫米。复合层102可以包括十个或更多导电元件110。所述层可以包括多于二十个的导电元件110，或多于五十个的导电元件110，或多于数百的导电元件。
参考图2，示出了根据本发明的电化学阵列或复合层的立体图200。导电元件208可以以多种方式相对于介电元件202布置。介电元件202和导电元件208可以被布置为任意适合的图样。此外，平面层204、206可以相接触以形成复合层或电化学电池。
参照图3，示出了根据一些实施方案的电化学阵列或复合层的俯视图300。导电元件304可以以多种方向或几何形状布置。例如，导电元件304可以被布置为与介电元件302相交替的条带。其他的实施例包括介电元件302或导电元件304被布置在正方形或长方形阵列、三角形阵列或六边形阵列的节点上。离子传导元件和导电元件可以是如图2所示的圆形形状，或者可以具有其他形状或图样，诸如交叉形、飞鱼鱼骨(herringbone)形的图样(见图4)、六边形(见图5)、蜂巢构造、同心圆、卵形、椭圆形、星形或其结合。它们的结构可以例如布置为基本平行。所述元件可以是不规则形状以及可以具有不对称图样。
导电通道可以被集成在一个或多个导电元件中，离子传导通道可以被集成在一个或多个介电元件中。相邻元件可以相接合或相互作用。所述元件可以被密封地接合。导电元件304可以包括第一材料，以及介电元件302可以包括第二材料。第一和第二材料可以相互作用。所述材料例如可以化学或物理地相互作用。第一材料可以是例如含碳材料。第二材料可以是例如离聚物或溶剂。
参照图6，示出了根据一些实施方案的复合层的截面图600。涂层602、604、606、608可以与复合层616接触。在一些实施方案中，涂层可以是导电性的、离子传导性的以及具有催化活性的。非连续性区域614可以沿复合层616的每侧的表面分隔并电绝缘相邻的导电涂层602、606以及604、608。复合层616可以包括导电元件和介电元件。在图6中示出的实施方案中，复合层616也包括导电元件(或电池互连部)610和离聚物电解质612之间的界面区域618。界面区域618可以由非导电性和非离子传导介电材料(例如，聚酯、环氧树脂、酚、聚氨酯、硅树脂)制成，且涂层602、604、606和608的边缘可以位于这些界面区域618的宽度之内(例如图6中的位置620)。区域618可以充分宽，以使涂层边缘可以在特定的公差——例如，使制造过程得以进行所需要的公差——内位于其上。通过这种方式，区域618用于使得涂层602、604、606、608电绝缘，避免由于疏忽而与错误的电池互连部610相接触，并由此避免使相关的电化学电池发生不期望的短路。界面区域的厚度可以是例如小至约15毫米。或者界面区域的厚度可以是约100微米或约200微米或更大。界面区域的厚度可以被选择为使得给定半径的工具或机械能够在相邻电化学电池的涂层之间形成电学不连续性。所述公差可以包括在相邻涂层之间形成和维持电绝缘所需的最小距离。当使用特定离聚物电解质(诸如全氟磺酸共聚物)参与制造时，这一设计的使用将尤其重要。此外，在这一设计中，涂层602、604、606、608也可以覆盖电解质612的全部表面，由此最大化地使用电解质612的可利用表面区域、可利用的电化学反应点，从而也从整体上增加该阵列的每单元面积的潜在功率密度。
(例如，在涂层内的或在涂层与复合层的界面处的)电化学反应点到电池互连部之间的更有效的电流传输可以通过涂层602、604和电池互连部610之间的基本重叠或接触来实现。
涂层602、604、606、608可以包括复合层的第一表面上的第一涂层，以及复合层的第二表面上的第二涂层。所述涂层602、604、606、608可以包括导电材料、离子传导材料，或该二者。第一涂层可以是一阳极层，而第二涂层包括一阴极层。所述阳极层和阴极层可以是导电的，并包括导电元件。所述阳极和阴极层可以包括催化活性材料或离子传导材料。所述阴极和阳极层可以包括导电材料、催化活性材料和(介电性)离子传导材料的一些结合。
如图6和7所示，涂层602、604、606、608可以相对于导电元件和界面区域布置在各种位置。只要保持相邻电池之间的电绝缘性，相邻涂层的边缘可以位于介电元件612上、界面区域618上、导电元件610上或其结合。例如，可以将涂层布置为使得相邻涂层的边缘都位于界面区域618上。或者，如图6所示，第一涂层(例如，602)的边缘可以位于界面区域618上，同时相邻涂层(例如，606)的边缘可以位于导电元件610上。
此外，如图7所示，第一涂层(例如，602)的边缘可以位于介电元件612上；同时第二涂层的边缘(例如，606)可以位于界面区域上(未示出)、位于导电元件610的边缘处(未示出)，或位于导电元件的边缘之内(例如，如图7中的涂层604和608的位置所示)。在具有平行电连接部(未示出)的情况下，一表面上的涂层(例如，602)可以横跨相邻的介电元件612和插入的导电元件610延伸，只要在相对表面上与相应的介电元件612接触的涂层(例如，604、608)与所插入的导电元件610电绝缘。选择性气体扩散层或气体可渗透层或材料702(见图7)可以与涂层602、604、606、608接触。气体可渗透层702可以是导电性或介电性的。例如，介电的气体可渗透材料702可以被联接至复合层的一个或两个表面。
除了存在气体扩散层702外，图7中的实施方案与图6的实施方案的区别还在于复合层616中未使用实体性的界面区域618。相反，非连续性区域614沿复合层616的每侧的表面分隔并电绝缘相邻导电涂层602、606和604、608。在这些实施方案中，界面区域仍可以被用于促进介电元件和导电元件之间的接合；但是，该区域可以非常狭窄，或例如可以是导电元件的表面上的薄涂层。
再一次地，应防止相邻燃料电池单元之间的短路，并且涂层布置为使得例如减弱了涂层602和606或604和608之间的电连通。制造这样狭窄的非连续部614的制造过程的水平对其性能具有可观的影响。但是，这些和其他实施方案允许了制造中存在不精确性并仍然获得可运转的电池，虽然该电池的性能与图7示出的实施方案可能具有一定差异。
例如，所述复合层或整个阵列可以具有柔性。它可以在一个或多个方向上具有柔性，或部分弯曲。所述层可以被弯曲以形成圆柱形层或螺旋结构，诸如卷式构造。
流体增压室——例如燃料或氧化剂增压室——可以与一个或多个涂层602、606和604、608、电解质612、一个或多个气体扩撒层702、一个或多个电池互连部610、或其结合相接触。所述燃料或流体可以是例如氢气，虽然也可使用合适的燃料，诸如甲醇、氨、硼烷氨、肼、乙醇、甲酸、丁烷、硼氢化物等。所述氧化剂可以是例如空气或氧气。
第一增压室可以被联接至复合层的第一表面，包括第一反应物。第二增压室可以被联接至该层的第二表面，包括第二反应物。流体增压室可以包括例如燃料增压室和氧化剂增压室。多个基本流体非渗透性的复合层可以被堆叠，其中任意相邻的复合层共享其间的流体增压室。流体增压室可以通过与一个或多个复合层、涂层、导电元件、介电元件、气体可渗透材料、催化剂层、阳极层、阴极层、内部支撑结构、流体歧管、集流器、密封部等中的一些或所有接触而得到限定。集流器的实施例包括中间集流器和终端集流器。密封部可以包括中间密封部、周缘密封部、端部密封部或其结合。内部支撑结构可以是结构元件或者也起到结构支撑作用的导电元件。
单元电池可以以各种可能的方式互连以产生电池阵列，从而通过增加潜在电压、电流输出或其结合，来增加所述层的潜在功率输出。独立单元电池可以串联或并联连接，如上文提到的在2005年2月2日递交的标题为“在电化学反应层下有载流结构的电化学电池(ELECTROCHEMICAL CELLS HAVING CURRENT CARRYING STRUCTURESUNDERLYING ELECTROCHEMICAL REACTION LAYERS)”、公开号为2005/0250004的共同所有的美国专利申请中被描述。电化学电池阵列也可以串联或并联连接。
参照图8，示出了根据一些实施方案的包括柔性增压室的电化学电池层的截面800。柔性电化学电池层802可以包括被电池互连部或内部支撑结构804分隔的离散区域808。当将燃料引入系统中时，柔性层802可能变形，从而产生燃料增压室806或封闭区域(在图8中以虚线示出)。在一个实施例中，复合层可以集成在柔性电化学电池中，以及增压室可以被布置为使增压室需要的空间最小化。如上文提到的在序列号为12/238,241的共同所有的美国临时专利申请中被描述。在这样的实施例中，一个或多个燃料电池基本被集成在柔性电化学层中。所述柔性电化学层可以选择性地包括一个或多个刚性元件，并因此可能并不是整体柔性的。
所述系统可以包括从基本不占体积的封闭区域转化而来的空间节约型流体增压室，以这种方式，使得以形成可以被配置在现有电子装置之内的更小、更紧凑的电化学电池系统。所述封闭区域位于流体控制系统812之间，包括流体歧管或流体压力调节装置中的一个或该两者，以及至少一个燃料电池。在实施例中，封闭区域通过在流体控制系统812的出口侧和所述至少一个燃料电池之间经由接合构件810进行周缘型联接而形成。在各种实施例中，当流出控制系统812的流体向封闭区域加压导致所述至少一个电化学电池的一个或多个部分变形而远离邻近流体控制系统812的出口侧的位置时，该封闭区域转化为流体增压室816。空间节约型流体增压室可以与其他燃料电池元件——诸如流体储存部、流体压力调节装置、流体歧管、具有内部支撑结构的电化学电池层——结合使用，以形成紧凑的燃料电池系统。
柔性层中的至少一个燃料电池可以经由接合构件810被联接至流体歧管的一部分，并以这种方式形成其间的一个或多个封闭区域。接合构件810可包括任意物理或化学装置，诸如粘接构件、焊接构件、钎焊(solder)构件、铜焊(braze)构件或机械紧固件或突起物。在实施例中，该封闭区域具有的厚度约等于接合构件的截面厚度，诸如约0.05毫米或更小。在另一实施例中，流体歧管和所述至少一个燃料电池具有约5毫米或更小、约2毫米或更小、或约0.6毫米或更小的组合截面厚度。
流体歧管包括至少一个延伸穿过其中的材料引导凹槽814。每一材料引导凹槽814在入口处接收来自流体储存部的燃料流，并在出口处将燃料流提供给封闭区域816。在实施例中，燃料流包括以下至少一种：氢气、甲醇、甲酸、丁烷、硼氢化合物(包括硼氢化钠、硼氢化钾)，或液体有机氢载体。将燃料流持续接收至封闭区域816导致所述至少一个燃料电池的一部分变形远离邻近流体歧管的位置。从而形成流体增压室806。在操作中，流体储存部可以通过向装载端口加压而被填充燃料。包括流体压力调节装置阵列的流体压力调节组件可以用于将流体增压室806中的压力降低到或维持在足以使得所述至少一个燃料电池运转和运动的水平，诸如运动至虚线所示出的位置。在实施例中，在加压的增压室状态，流体歧管和所述至少一个燃料电池之间的距离是约5毫米或更小。
例如，流体歧管的第一侧可以联接至电化学电池层的第一侧，且流体歧管的第二侧可以联接至另一电化学电池层的第一侧。例如，歧管或流体控制系统可以以串联或并联方式被联接至阵列。例如，歧管可以提供接触串联或并联连接的多个阵列或多个单元电池的燃料增压室。
根据一些实施方案公开了一种使用电化学电池阵列的方法。第一反应物可以被提供至流体增压室，该流体增压室被联接至具有至少一个电池互连部的电化学电池阵列的第一侧。至少从所述第一反应物中产生电流。电流可以从复合层的第一侧上收集。
提供第一反应物可以包括增加流体增压室的压力。所述提供可以包括从联接至电化学电池阵列的第一侧的流体歧管供给第一反应物。所述提供也可以包括电化学电池阵列的第一侧的至少一部分从流体歧管远离。
复合层的第一侧可以是阳极侧。例如，复合层的第二侧可以是阴极侧。第一反应物可以是氢气。复合层的第二侧可以与第二反应物——诸如氧化剂——接触。第二反应物可以被主动或被动地接触。电流的产生可以包括消耗第一反应物，从而降低流体增压室的压力。
所述收集可以包括从串联电学结构、并联结构或其结合的多个电化学电池中收集电流。所述收集还可以包括从终端集流器或阵列中相邻电池之间的至少一个互连部收集电流。
这里描述的复合层可以使用任意数量的步骤制造。例如，复合层可以以有助于大规模制造——诸如卷对卷制造(roll-to-rollmanufacturing)——的方式形成。参照图9A-D，在一些实施方案中，可以通过形成至少两个导电元件910、911(其可以充当电池互连部(见图9A))而形成复合层。例如，导电元件910、911可以通过将多个元件层压在一起形成。例如，导电元件910、9ll可以包括一种或多种形式的碳，且例如还可以包括非导电元件，诸如环氧树脂。
界面区域918可以接着被粘接至每一导电元件910、911的至少一个表面(见图9B)。界面区域918可以是附接至导电元件的离散元件，或者可以是施加于导电元件的表面的材料。例如，界面区域918可以是可以以液体形式被应用至导电元件910、911的表面，并接着被凝固以形成包括导电元件和界面区域的复合固体元件的热固聚合物。界面区域的厚度可以根据制造过程的公差而调整；例如，界面区域可以具有足以确保——在包括制造过程所要求的公差的情况下——在相邻电池之间形成电学非连续性的厚度。例如，界面区域的厚度可以小至约15微米。或者，界面区域的厚度可以是约100微米或约200微米或更大。界面区域的厚度可以被选择为使得给定半径的工具或机器能够在相邻的电化学电池的涂层之间形成电学非连续性。此外，界面区域918可以被用于促进或增强介电元件912和导电元件910、911之间的接合。这样的接合可以经由机械、物理以及化学的接合机构的结合而实现。
至少一个介电元件912可以接着通过如下方式形成：浇铸邻近并接触界面区域918的离聚物分散体，并将所述离聚物分散体凝固至足以形成流体非渗透层(见图9C)。所述离聚物分散体可以使用热量、压力或其结合而被凝固。离聚物分散体可以是例如PFSA共聚物。
接着将涂层902、904、906、908布置在所述层的表面上(见图9D)。例如，所述涂层可以是催化剂层。在所示出的实施方案中，涂层906被布置为与介电元件912接触，并与导电元件911电接触，但与导电元件910电绝缘，由此使相邻电化学电池电绝缘。类似地，涂层904与介电元件912接触，并与导电元件910电接触，但与导电元件911电绝缘。
虽然未在图9中充分示出，涂层902可以与导电元件910电接触，并与相邻介电元件接触(未示出)，并进一步与第三导电元件电绝缘(未示出)。类似地，涂层908可以与导电元件910电接触，与另一相邻介电元件接触(未示出)，并进一步与第四导电元件电绝缘(未示出)。
涂层902、906之间的隔离间隙的宽度d 920在相邻电池之间提供了电绝缘。在所示的实施方案中，界面区域的厚度比宽度d 920加上用于布置涂层902、904、906、908的制造过程所需的任意公差的和要大，从而确保电绝缘一直得到保持。
上述描述出于阐释性而非限定性的目的。例如，上述实施例(或其一个或多个特征)可以彼此结合使用。例如，阅读上述说明的本领域普通技术人员也可以使用其他实施方案。同样的，在上述详细说明中，各种特征可以被分组到一起以使公开内容更流畅。这不应被解释为意在表示未写入权利要求的公开特征对于每个权利要求都是必要的。相反，创造性的主题所基于的特征可以少于具体公开实施方案中的所有特征。此外，虽然本专利文件主要基于流体应用讨论了燃料或反应物，本系统和方法可以以这里讨论的类似方式用于其他流体传递应用。因此，所附权利要求据此被纳入该详细说明，其中每一权利要求本身作为一项分立的实施方案。应根据所附权利要求，并结合这些权利要求所赋予的等价特征的整体范围来确定本发明的范围。

Claims (30)

1.一种用于电化学电池的离子传导复合层，包括：
两个或多个导电元件，每一导电元件具有一个或多个导电通道；以及
一个或多个介电元件，每一介电元件具有一个或多个离子传导通道；
其中所述导电元件和介电元件被相邻布置，以提供流体非渗透性的复合层。
2.根据权利要求1所述的离子传导复合层，其中所述复合层是柔性的。
3.根据权利要求1或2所述的离子传导复合层，其中每一所述导电元件包括第一材料，以及每一所述介电元件包括第二材料，其中第一和第二材料相互作用。
4.根据权利要求3所述的离子传导复合层，其中所述第一和第二材料化学地相互作用。
5.根据权利要求3或4所述的离子传导复合层，其中所述导电元件和离子传导元件物理地相互作用。
6.根据权利要求1-5任一项所述的离子传导复合层，其中所述导电元件包括金属、泡沫金属、含碳材料、石墨复合物、导电环氧树脂、导电聚合物、导电陶瓷、碳素纤维、碳织布、拉挤复合物、膨胀石墨、石墨、玻璃碳、碳、环氧树脂、石墨填充环氧树脂、石墨填充聚合物、或其结合。
7.根据权利要求1-6任一项所述的离子传导复合层，其中所述导电通道从复合层的第一表面延伸至复合层的第二表面。
8.根据权利要求1-7任一项所述的离子传导复合层，其中还包括界面区域，其中该界面区域布置在相邻的介电元件和导电元件之间。
9.根据权利要求8所述的离子传导复合层，其中所述界面区域适于提供一接合界面，以促进所述介电元件和导电元件之间的粘接性。
10.根据权利要求8或9所述的离子传导复合层，其中所述界面区域的宽度大于或等于约15微米。
11.根据权利要求8或9所述的离子传导复合层，其中所述界面区域的宽度大于或等于约200微米。
12.根据权利要求1-11任一项所述的离子传导复合层，其中所述导电元件和介电元件布置为基本平行的条带。
13.根据权利要求12所述的离子传导复合层，其中所述介电元件和导电元件的宽度小于或等于2毫米。
14.根据权利要求1-13任一项所述的离子传导复合层，其中所述复合层在等于或小于15psi的压力差的情况下是基本流体非渗透性的。
15.一种电化学电池阵列，包括：
具有第一侧和第二侧的复合层，所述复合层包括：
两个或更多导电元件，每一导电元件具有一个或多个导电通道；以及
一个或多个介电元件，每一介电元件具有一个或多个离子传导通道；
其中所述导电元件和介电元件是相邻布置的；
一个或多个第一涂层，其与该复合层的第一侧接触；
一个或多个第二涂层，其与该复合层的第二侧接触；
其中每一第一涂层与第一介电元件的至少一个离子传导通道相接触，并与第一导电元件的至少一个导电通道电接触；
其中每一第二涂层与第二介电元件的至少一个离子传导通道相接触，并与第一导电元件的至少一个导电通道电接触，从而足以在阵列中的相邻的电化学电池之间提供从该复合层的第一侧至该复合层的第二侧的导电路径。
16.根据权利要求15所述的电化学电池阵列，其中所述第一涂层和第二涂层中的一个或该两者包括催化活性材料。
17.根据权利要求15或16所述的电化学电池阵列，其中还包括界面区域，其中该界面区域布置在相邻的介电元件和导电元件之间。
18.根据权利要求17所述的电化学电池阵列，其中该界面区域适于提供一接合界面，以促进在所述介电元件和导电元件之间的粘接性。
19.根据权利要求17或18所述的电化学电池阵列，其中该界面区域的宽度足以使得在相邻的电化学电池的涂层之间能够形成电学非连续性。
20.根据权利要求15-19任一项所述的电化学电池阵列，其中该电化学电池包括燃料电池。
21.一种电化学系统，包括：
根据权利要求15所述的电化学电池阵列；以及
一个或多个流体增压室；
其中所述一个或多个流体增压室至少部分地由该电化学电池阵列限定。
22.根据权利要求21所述的电化学系统，其中所述流体增压室包括至少一个燃料增压室、至少一个氧化剂增压室、或其结合。
23.根据权利要求21或22所述的电化学系统，其中还包括联接至该复合层的流体歧管。
24.根据权利要求23所述的电化学系统，其中至少一个所述流体增压室由该复合层、该流体歧管以及至少一个导电元件限定。
25.一种形成电化学电池阵列的方法，包括：
形成至少两个导电元件；
将至少一个界面区域粘接至每一导电元件的表面；
通过浇铸邻近对应界面区域且与该界面区域相接触的离聚物分散体形成至少一个介电元件；
将所述离聚物分散体凝固至足以形成流体非渗透性的复合层；以及
在所述复合层的第一表面上布置至少一个涂层，
其中所述涂层与一个介电元件、相邻的第一导电元件、以及界面区域接触。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述至少一个导电元件包括含有碳和环氧树脂的复合物。
27.根据权利要求25或26所述的方法，其中该界面区域包括热固性聚合物。
28.根据权利要求25-27任一项所述的方法，其中该离聚物分散体包括全氟磺酸共聚物。
29.根据权利要求25-28任一项所述的方法，其中该界面区域的宽度足以提供在相邻电化学电池的涂层之间的电学非连续性。
30.根据权利要求25-29任一项所述的方法，其中所述涂层与相邻的第二导电元件电绝缘。
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